Главная > Разное > Применение цифровой обработки сигналов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

6.2.2. Шум

Присутствие шума в конечном счете ограничивает возможности любой системы обработки гидролокационных сигналов даже при наличии очень качественной информации об окружающей водной среде, которую можно использовать для прогнозирования характеристик распространения акустических волн. В общем случае шумы делятся на внешние, собственные и реверберационные. Внешний шум является фоновым, как правило аддитивным и образуется многочисленными посторонними источниками акустической энергии, не представляющими интереса для оператора гидролокатора. Его можно наблюдать в пассивном режиме без излучения энергии. Собственный шум представляет собой шум ближней зоны, поступающий в гидролокационную систему при движении судна. Он может состоять из машинных, кавитационных или струйных шумов, возбуждаемых двигательной установкой и гидродинамическими силами. Реверберационный шум создается в активной системе за счет ложных отражателей, или целей. Чтобы наблюдать реверберационный шум, нужно излучить энергию, поэтому характеристики этого шума сильно зависят от вида излучаемого колебания.

При описании внешнего шума основное внимание уделяется пространственной и временной зависимостям этого шума. Хотя при измерениях в различные времена года и в разных географических районах наблюдаются заметные вариации шумов, в целом характер зависимостей для различных источников шумов изучен уже достаточно хорошо. Для описания частотной зависимости

Рис. 6.9. (см. скан) Спектр внешнего шума в океане [23].


акустических шумов часто используется обобщенный график Венца [23], изображенный на рис. 6.9. В диапазоне 1 —10 Гц внешний шум часто обусловлен турбулентностью в океане и сейсмической активностью океанического дна. В диапазоне 10—300 Гц основными источниками шума являются корабли, причем за последние годы в связи с возросшей интенсивностью судоходства

средний уровень шума ,на таких частотах возрос. Форма спектра в этом диапазоне очень сильно зависит от близости к судоходным линиям и может соответствовать тональным сигналам, так как основная часть шумов возбуждается вращающимися частями двигательных установок. В качестве примера отметим, что в любой момент времени в Северной Атлантике одновременно находится приблизительно две-три тысячи судов. На частотах выше 300 Гц важную роль начинают играть воздействие ветра и поверхностные волнения, поэтому шум в данном диапазоне подвержен влиянию погоды. Наконец, на высоких частотах (порядка 100 кГц), расположенных за пределами частотного диапазона большинства (хотя и не всех) гидролокационных систем, преобладает тепловой шум молекул воды.

Что касается пространственной зависимости внешнего шума, т. е. его направленности, то в открытой печати этот вопрос подробно не освещается. Однако принято считать, что на низких частотах максимум интенсивности ориентирован по горизонтали, так как основными источниками шума (в этом диапазоне являются жорабли, находящиеся на большом удалении. На более высоких частотах максимум интенсивности шума направлен по вертикали, поскольку сам шум является результатом воздействия погодных факторов на водную поверхность [24—26]. Если прием производится вблизи судов, то зачастую по акустическим шумам судов удается определить как направления на отдельные суда, так и спектры их шумов. Описание пространственной структуры внешнего шума возможно в спектральной области; обычно для этой цели используется волновая векторная функция от волнового числа. Свойства этой функции аналогичны свойствам спектров временных функций. Оценки временной и пространственной структур поля внешнего шума через его энергетический спектр и (или) функцию волнового числа имеют особенно важное значение для пассивных гидролокационных систем. Ниже этот вопрос будет рассмотрен значительно подробнее,

Реверберационный шум образуется за счет того, что энергия, излучаемая активной системой, отражается от посторонних объектов, отличных от Представляющих интерес целей. С точки зрения Происхождения реверберационный шум часто подразделяют на граничный и объемный. Объемная реверберация создается за счет рассеяния на частицах или пузырьках, содержащихся в воде. Существует несколько источников объемного рассеяния в воде. Чаще всего приходится иметь дело с глубинным рассеивающим слоем, пузырьками воздуха и взвешенными частицами. Глубинное рассеяние имеет биологическое происхождение. В течение дня глубинный рассеивающий слой перемещается на 200—1000 км; в диапазоне частот 1,5-25 кГц он имеет несколько селективных резонансов. Пузырьки воздуха образуются в воде за счет работы двигателей судов и турбулентности поверхностного слоя водьг

Хотя доля пузырьков воздуха в воде очень незначительна, создаваемое ими рассеяние достаточно велико за счет того, что их плотность сильно отличается от плотности воды. Пузырькам воздуха также свойственны ярко выраженные резонансные эффекты, обусловленные колебаниями пузырьков. Кроме того, в воде содержится большое количество различных взвешенных частиц, начиная с больших, таких, как рыбы, и заканчивая малыми — типа планктона, причем все они могут рассеивать энергию. Главный вывод заключается в том, что объемная реверберация существует всегда и может сильно ограничить возможности гидролокационных систем.

Причиной граничной реверберации является наличие отражений от водной поверхности и дна океана. На больших расстояниях по горизонтали от источников звука граничная реверберация вообще начинает играть преобладающую роль, так как акустическая волна распространяется посредством многократных отражений от границ водной среды. Характеристики этих границ оказывают существенное влияние на характер распространения акустических сигналов, поэтому ниже они будут рассмотрены отдельно.

Хотя для понимания природы реверберации важно знать ее истинные механизмы, с точки зрения обработки сигналов нас будет прежде всего интересовать, как акустическая энергия, рассеянная при реверберации, связана с дальностью, доплеровским смещением частоты и направлением в пространстве. В качестве модели реверберационного рассеяния удобнее всего использовать линейный фильтр со случайными коэффициентами, зависящими от времени и, возможно, от направления в пространстве. Для статистического описания таких фильтров, моделирующих реверберационное рассеяние, часто применяются функции рассеяния. С помощью этих функций или подобных им и применяя статистический подход, делается попытка количественно описать рассеяние акустической энергии в среде в зависимости от дальности и доплеровского смещения частоты. Эти функции играют важную роль при выборе эффективных сигналов активных гидролокационных систем, поэтому они будут рассмотрены ниже в разделе, посвященном активным системам.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление